《Java集合框架的線程安全.docx》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《Java集合框架的線程安全.docx（4頁珍藏版）》請在匯文網(wǎng)上搜索。

1、Java集合框架的線程平安周慶岳 Java集合框架是由Java平臺標(biāo)準(zhǔn)版1.2 Java SE 1.2引入的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法框架。其靈活的面對對象設(shè)計受到了廣闊Java程序員的一致青睞，為Java平臺的成熟奠定了堅實的根底。一個集合也稱容器是指將一組元素組合成一個單元的簡單對象。集合用于存儲、取回、操作和傳遞這些聚合的元素。集合框架是指一個統(tǒng)一的用來表示和操作集合的體系結(jié)構(gòu)Bloch，1999。最簡單的集合如數(shù)組、列表和隊列等，集合框架最著名的例子如C+ 標(biāo)準(zhǔn)庫STL。 線程平安不是一個全有或全無的問題，難以對其進行精確的定義。線程平安籠統(tǒng)地講是指程序在多線程環(huán)境下運行時的正確性。Java集

2、合框架的設(shè)計者Bloch Joshua在他著名的?Java高效編程?一書中對Java線程平安的等級做出了相對精確的定義Bloch，2001：非可變、線程平安、條件線程平安、線程兼容和線程不友好。本文將結(jié)合上述Bloch關(guān)于線程平安等級的定義，對Java集合框架中的集合類進行線程平安性分析， 并指出各個集合類在現(xiàn)實的編程環(huán)境中需要注意的并發(fā)編程的陷阱；同時對集合框架中通用算法對線程平安性的影響進行分析。所涉及的集合類不僅包括Java SE 1.2引入的集合類，還包括舊集合類Java SE 1.2前引入和新集合類Java SE 5引入。從而幫助Java程序員在進行并發(fā)編程時更加高效地利用Java集

3、合框架。Java線程平安的等級定義根據(jù)Bloch的定義，將線程平安分為五個等級，下面將給出這五個等級的描述和局部例如。1、非可變?nèi)绻粋€類的所有實例對于調(diào)用它們的客戶端對象總是恒定不變的，而無需外部同步，那么稱為非可變的。字符串類和整數(shù)類都是非可變的，但在集合框架中并沒有提供直接的非可變類，而是通過對可變類進行封裝而得到非可變類。非可變集合不可修改，因而它可以在各個線程間平安共享而無需額外的同步。作為一個好的實踐準(zhǔn)那么，一旦生成非可變類之后，不要再持有被其封裝的集合類的引用，這樣才可以完全保證其非可變性。2、線程平安類的實例是可變的，但它的所有方法已經(jīng)通過使用足夠的內(nèi)部同步使其實例可以被并發(fā)的

4、使用而無需外部同步。并發(fā)的調(diào)用將會以某種全局一致的方式連續(xù)地執(zhí)行。隨機類和 定時器類都是線程平安類。集合框架中線程平安的類并發(fā)哈希映射類在Java SE 5 中被引入，它并不包含在原來的集合框架中，但它實現(xiàn)了集合框架Map接口。并發(fā)哈希映射類實現(xiàn)了并發(fā)和效率之間的高效平衡，已被作為哈希表類和同步映射表封裝在并發(fā)環(huán)境下的高效替代品。3、條件線程平安除了某些方法需要在沒有其它線程的干擾的情況下順次執(zhí)行之外，條件線程平安類和線程平安類類似。為了消除線程干擾的可能性，客戶端對象在調(diào)用這類方法的過程中需要獲得該集合類對象的鎖來進行同步。一些舊集合類如Vector和Hashtable都是條件線程平安類，對

5、這些集合類進行遍歷操作時需要對其進行外部同步。4、線程兼容對其對象實例的所有方法調(diào)用都通過外部同步之后再進行，線程兼容類可以平安的并發(fā)使用。集合框架中的通用目的集合的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)，如數(shù)組鏈表類和哈希映射表類等都是線程兼容的類。對線程平安的集合類進行遍歷操作，需要先獲得一個對它的條件線程類封裝，然后再通過外部同步來進行遍歷。5、線程不友好線程不友好類無法在多線程環(huán)境下平安地并發(fā)使用，即使對其所有的方法調(diào)用都進行外部同步。Java語言中只有很少幾個類的方法是線程敵對的，已經(jīng)被聲明為不贊成使用。Java集合框架抽象接口及其實現(xiàn)的線程平安Java集合框架包括三個局部Bloch，1999：接口、實現(xiàn)和算法。

6、接口是抽象數(shù)據(jù)類型的表示集合，接口使得集合的操作和集合的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)相獨立。在面對對象的語言里，這些接口一般形成一個層次結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)是指表示這些集合接口的具體實現(xiàn)，實質(zhì)上是可重用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即通用集合類。算法是指可以對實現(xiàn)集合接口的類進行一些實用計算的方法，比方排序和查找。這些算法可以說是多態(tài)的，同一個方法可以用于實現(xiàn)了適當(dāng)接口的不同實現(xiàn)類。這些算法實質(zhì)上是可重用的功能。Java集合框架的接口層次和通用實現(xiàn)如下：圖1 Java集合框架的接口層次接口通用實現(xiàn)集合哈希集合、樹集合和鏈接哈希集合列表數(shù)組鏈表和鏈接鏈表隊列優(yōu)先級隊列映射表哈希映射表、樹映射表和鏈接哈希映射表表1 Java接口的通用實現(xiàn)下

7、面按接口分類對集合類進行線程平安分析。分析的對象主要包括表1中的通用實現(xiàn)類，還包括一些特殊用途的實現(xiàn)類。1、集合接口集合是不包含重復(fù)元素的抽象集合。實現(xiàn)該接口的集合類包括三個通用實現(xiàn)類哈希集合類、樹集合類和鏈接哈希集合類，兩個特殊用途實現(xiàn)類枚舉集合類和寫復(fù)制數(shù)組集合類。三個通用實現(xiàn)類和枚舉集合類都是線程兼容類，對這些集合類的并發(fā)訪問都需要進行外部同步。特別是遍歷操作，需要先通過調(diào)用Collections.synchronizedSet()方法返回一個條件線程平安的同步集合類封裝，然后再對其進行同步遍歷。特殊實現(xiàn)類寫復(fù)制數(shù)組集合類是線程平安類，可以平安地并發(fā)訪問，只是其寫操作開銷較大，一般用在較

8、少修改的環(huán)境。2、鏈表接口鏈表是有序的抽象集合，可以允許重復(fù)元素存在。還允許對其進行基于位置的訪問。實現(xiàn)該接口的集合類包括兩個通用實現(xiàn)類數(shù)組鏈表和鏈接鏈表，一個特殊用途實現(xiàn)類寫復(fù)制數(shù)組鏈表類，還包括舊的集合類矢量類。通用實現(xiàn)類數(shù)組鏈表和鏈接鏈表是線程兼容類，如果未先進行同步而并發(fā)使用，會拋出并發(fā)修改異常。遍歷方法同集合接口(Set)的通用實現(xiàn)類似。特殊實現(xiàn)類寫復(fù)制數(shù)組鏈表類是線程平安類，并發(fā)特性與寫復(fù)制數(shù)組集合類類似，實際上寫復(fù)制數(shù)組集合類就是基于寫復(fù)制數(shù)組鏈表類的一個集合實現(xiàn)。3、隊列接口隊列被設(shè)計成保存元素功能優(yōu)先于處理元素功能的抽象集合。隊列接口在Java SE 5中被引入Java集合框

9、架，優(yōu)先隊列 是其通用實現(xiàn)類，鏈表通用實現(xiàn)之一也被重寫實現(xiàn)了隊列接口。此外，還有數(shù)組阻塞隊列、 并發(fā)鏈接隊列、延時隊列、 鏈接阻塞隊列、優(yōu)先級阻塞隊列和同步隊列六個特殊實現(xiàn)類。除了并發(fā)鏈接隊列是線程平安類之外，其他實現(xiàn)都是線程兼容類。4、映射表接口映射表是用于鍵值映射的抽象集合，不允許存在重復(fù)的鍵，每個鍵至多允許映射到一個值。映射表包括兩個通用實現(xiàn)類哈希映射表和樹映射表，還包括并發(fā)哈希映射表和弱引用哈希映射表等特殊實現(xiàn)類。哈希映射表和樹映射表是線程兼容類。并發(fā)哈希映射表類是線程平安的，而且由于其優(yōu)秀的算法設(shè)計，使其再保證線程平安的同時還提供了高度的并發(fā)性。弱引用哈希映射表類一般作為高速緩存使用

10、，它內(nèi)部使用弱引用作為鍵，它的行為依賴于具體的Java虛擬機的垃圾收集器，即使對其進行外部同步也不能保證其一致性，因而弱引用哈希映射表類是線程不友好的集合類。5、封裝實現(xiàn)除了上述提及的集合接口的通用和特殊實現(xiàn)之外，Java集合框架還提供了幾類封裝實現(xiàn)。其中包括同步封裝類和非可變封裝類。同步封裝方法如：Collections.synchronizedCollection(Collection c)返回一個集合c的原子同步封裝，即它的所有方法都已被同步，是一個條件線程平安類。在對同步封裝類訪問需要先獲得該對象的同步鎖，之后便可實現(xiàn)并發(fā)訪問。Java集合框架提供的同步封裝類可以提升通用實現(xiàn)類的線程平

11、安等級。一般的通用實現(xiàn)只有線程兼容等級，在需要較高平安等級的情況下，如并發(fā)遍歷，就需要利用同步封裝類。非可變封裝方法如：Collections.unmodifiableCollection(Collection c)返回一個集合c的只讀視圖，是一個非可變類。Java集合框架通用算法對線程平安的要求Java集合框架的算法功能不是作為各個集合的功能函數(shù)，而是獨立出來作為對某一類實現(xiàn)適宜接口的類進行通用操作，從而實現(xiàn)算法功能的多態(tài)性。通用的算法包括排序、混淆、搜索和查找極限值等。排序和混淆是一對相反的操作，兩者都要對集合進行寫操作，要保證算法在并發(fā)環(huán)境下執(zhí)行的正確性，要求寫操作要在線程平安集合類上執(zhí)

12、行。對于只具有線程兼容等級的集合類，要先利用同步封裝類將其線程平安等級提升到條件線程平安；對于具有條件線程平安的集合類，那么需進行外部同步。通過以上步驟，被操作集合就具有線程平安等級了，可以保證算法被正確執(zhí)行。另一種方法是對被操作集合類進行保護性拷貝，那么總能保證算法的正確性，這種方法代價較高，但能提高并發(fā)性。另一類算法搜索和查找極限值比擬類似，都只需進行讀操作。除了利用排序和混淆用的兩種方法外，由于是只讀操作，還可以利用非可變封裝先獲得集合的一個視圖，然后在該視圖上實現(xiàn)查找。結(jié)論Java集合框架采用接口和實現(xiàn)相別離的面對對象設(shè)計方法，給Java平臺帶來了一個靈活高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法工具箱。線

13、程平安特性在Java集合框架中屬于實現(xiàn)細(xì)節(jié)，因而集合框架的接口協(xié)議中并未提供相應(yīng)的線程平安性保證。但是線程平安是Java程序正確運行根本前提之一，因此本文在保證程序正確性的前提條件下，對Java集合框架的集合類進行平安等級分類，并對各種算法操作的所要求的線程等級進行了分析。 從而幫助程序員利用Java集合框架編寫正確高效的并發(fā)應(yīng)用程序。由于并發(fā)應(yīng)用程序的先天復(fù)雜性，線程平安性只是其冰山一角。其它如利用高效的并發(fā)設(shè)計模式Lea, 2000來改良并發(fā)程序整體設(shè)計，以及利用并發(fā)工具如Communicating Sequential Processes (CSP)解決各種多線程問題等，都是進行并發(fā)程序設(shè)計的有利武器，有待進一步研究。作者單位：廈門大學(xué)軟件學(xué)院